Grundlagen für die PraxisStarten von MotorenTraditioneller Motorstart,Softstarter, Frequenzumrichter Motor

Management

TM

Vorwort

Das vorliegende Fachbuch «Starten von Motoren» ist eine weitere Publikationzum Thema «Motor Management».

Mit diesen, in lockerer Folge erscheinenden Grundlagen für die Praxis stehtdem Anwender ein wachsendes Nachschlagewerk rund um denLeistungsabgang für Projektierung und Anwendung zur Verfügung.Themenbereiche sind:• Schutz von Motor und Antrieb,• Auswahl und Anwendung von Schaltgeräten,• Kommunikation.

Bereits erschienen sind die Fachbücher • «Drehstromasynchronmotoren», informiert über Aufbau, Betriebsarten,

Auswahl und Dimensionierung von Motoren und• «Grundlagen Leistungsschalter», ergänzende Angaben für den praktischen

Umgang mit Leistungsschaltern.

Elektromotoren sind heute in jedem Produktionsprozess zu finden.Der optimalen Ausnutzung der Antriebe kommt unter dem Aspekt derWirtschaftlichkeit wachsende Bedeutung zu. «Motor Management» vonRockwell Automation hilft Ihnen,• Anlagen besser zu nutzen,• Unterhaltskosten zu senken,• die Betriebssicherheit zu erhöhen.

Wir freuen uns, wenn Ihnen unsere Publikationen mithelfen, wirtschaftliche und effiziente Lösungen für Ihre Anwendungen zu finden.

Copyright © 1997 by Rockwell Automation AG

Alle Angaben erfolgen nach dem aktuellen Stand der Technik, ohne rechtliche Verbindlichkeit.

i

Starten von Motoren

Inhaltsverzeichnis

1 Traditoneller Motorstart 1.1

1.1 Stern-Dreieck-Anlauf 1.11.1.1 Normaler Stern-Dreieck-Anlauf 1.11.1.2 Verstärkter Stern-Dreieck-Anlauf 1.51.1.2.1 Gemischter Stern-Dreieck-Anlauf 1.51.1.2.2 Teilwicklungs-Stern-Dreieck-Anlauf 1.61.1.3 Unterbrechungsloser Stern-Dreieck-Anlauf 1.6

1.2 Autotransformator-Anlauf 1.81.3 Anlauf über Drosseln oder Widerstände 1.91.3.1 Anlauf über Drosseln 1.91.3.2 Anlauf über Widerstände 1.10

1.4 Mehrstufenmotoren 1.11

2 Softstarter 2.1

2.1 Allgemeines 2.12.2 Realisation des Sanftanlaufes 2.22.2.1 Reduzierung des Motormomentes 2.32.2.2 Beeinflussung der Motorspannung 2.3

2.3 Anlaufarten 2.42.3.1 Anlauf mittels Spannungsrampe 2.42.3.2 Anlauf mittels Strombegrenzung 2.52.3.3 Momente 2.5

2.4 Softstarter-Typen 2.52.4.1 Einphasen vollwellengesteuerter Softstarter 2.62.4.2 Dreiphasen halbwellengesteuerter Softstarter 2.72.4.3 Dreiphasen vollwellengesteuerter Softstarter 2.8

2.5 Thermische Belastung beim Start 2.82.6 Softstarter Vorteile 2.92.7 Kundennutzen 2.92.7.1 Mechanisch 2.92.7.2 Elektrisch 2.10

ii

2.8 Einsatzmöglichkeiten 2.102.9 Starten von Pumpen 2.112.9.1 Strom- und Momentverlauf bei einem Stern-Dreieck-Start 2.112.9.2 Drehzahlverlauf bei einem Start mit Pumpensoftstarter 2.122.9.3 Vergleich der Momentkurven 2.122.9.4 Strömungsverlauf beim Starten 2.132.9.5 Strömungsverlauf beim Stoppen 2.132.9.6 Anforderungen an einen Softstarter für Pumpen 2.142.9.7 Anwendungsgebiete 2.14

2.10 Optionen 2.14

3 Frequenzumrichter 3.1

3.1 Allgemeines 3.13.2 Aufbau 3.13.2.1 Netzgleichrichter 3.23.2.1.1 Prinzipielle Darstellung der pulsierenden Gleichspannungen 3.23.2.2 Zwischenkreis 3.33.2.3 Wechselrichter 3.33.2.3.1 Prinzipielle Darstellung der Pulsweiten-Modulation 3.4

3.3 Betriebsverhalten 3.43.3.1 Frequenz-Spannungs-Verhältnis 3.43.3.2 Spannungsanhebung oder Boost 3.53.3.3 Schlupfkompensierung 3.63.3.4 Sollwert 3.63.3.5 Kompensation 3.63.3.6 Motorschutz 3.73.3.7 Drehrichtungswechsel und Bremsen 3.7

3.4 Frequenzumrichter Vorteile 3.83.5 Radiofrequente Störungen 3.83.5.1 Allgemeines 3.83.5.2 Normen 3.93.5.3 Massnahmen 3.10

4 Vergleich der Anlassverfahren 4.1

Starten von Motoren

iii

Starten von Elektro-MotorenKurzschlussläufermotoren sind wegen ihrer Einfachheit, Robustheit und dergünstigen Kosten die industriell am häufigsten eingesetzten Motoren. Sieentwickeln beim direkten Einschalten Anläufströme bis zum etwa 8-fachen desNennstromes und damit verbunden hohe Anlaufmomente.Die hohen Anlaufströme haben im speisenden Netz oft unliebsameSpannungseinbrüche zur Folge und die hohen Anlaufmomente beanspruchendie mechanischen Übertragungselemente stark. Deshalb setzen dieElektrizitätsversorgungsbetriebe Grenzwerte für die Motoranlaufströme imVergleich zu den Nennbetriebsströmen fest. Die zulässigen Werte variieren vonNetz zu Netz, je nach Belastbarkeit. Mit Rücksicht auf die Mechanik sindMethoden erwünscht, die die Anlaufdrehmomente reduzieren.Um die Ströme und Momente zu reduzieren, bieten sich verschiedeneAnlassschaltungen und -methoden an:• Stern-Dreieck-Anlauf• Autotransformator-Anlauf• Anlauf über Drosseln oder Widerstände• Mehrstufen-Anlauf• Anlauf mittels elektronischer Sanftanlasser• Anlauf mittels Frequenzumrichtern

Nachstehend wird auf die in der Praxis wichtigsten Anlaufmethoden eingegangen.

1 Traditoneller Motorstart

1.1 Stern-Dreieck-AnlaufMan unterscheidet:• Normaler Stern-Dreieck-Anlauf• Verstärkter Stern-Dreieck-Anlauf• Stern-Dreieck-Anlauf mit unterbrechungsloser Umschaltung (closed transition)

1.1.1 Normaler Stern-Dreieck-AnlaufFür den Anlauf werden die Motorwicklungen in Sternschaltung an dieNetzspannung gelegt. Die Spannung an den einzelnen Motorwicklungenreduziert sich damit um den Faktor 1/√

_3=0.58. Das Anzugsdrehmoment beträgt

bei dieser Schaltung ca. 30% der Werte bei Dreieckschaltung. DerEinschaltstrom wird auf ein Drittel des Stromes bei Direkteinschaltung, d.h. auftypisch 2...2,5 Ie reduziert.Wegen des reduzierten Anzugsmomentes eignet sich die Stern-Dreieck-Schaltung für Antriebe mit grosser Schwungmasse, aber kleinem oder erst mitder Drehzahl steigendem Widerstandsmoment. Sie wird bevorzugt dorteingesetzt, wo der Antrieb erst nach dem Hochlauf belastet wird.Anwendungsbeispiele sind Pressen, Zentrifugen, Pumpen, Ventilatoren etc.

Starten von Motoren

1.1

Starten von Motoren

1.2

ML

7

6

5

4

3

2

1

0.25 0.5 0.75 1

3

2

1

MMN I

Ie

I∆

IY

IA

M∆

MY

nns

L1 L3L2

V1

V2 W1

W2

U1IWUU2

Ue

IWV

ILD

L1 L3L2

V1

V2

W1

W2

U1

U2

Ue

IWU

ILY = 13

ILD

ZW

Ue

�3

Typischer Strom- und Momentenverlauf beim Stern-Dreieck-Anlauf

Die Stromverhältnisse bei Stern- und Dreieckschaltung.

Sternschaltung Dreieckschaltung

I MotorstromIe Bemessungs-Betriebsstrom

des MotorsMD Drehmoment in

DreieckschaltungME Bemessungs-

Betriebsmoment des Motors

ILY Zuleitungsstrom bei SternschaltungILD Zuleitungsstrom bei DreieckschaltungIW WicklungsstromUe Netzspannung verkettetZW Wicklungsimpedanz

n Drehzahlns Synchron-DrehzahlML LastmomentIY Strom in SternschaltungID Strom in DreieckschaltungIA Stromverlauf bei Stern-Dreieck-Anlauf

ILY = IWU =Ue

√_3 ZW

IL1D = IWU + IWV

ILD = IW √_3 =

Ue √_3 = 3 ILYZW

ILY =1

ILD3

Nach dem Hochlauf des Motors steuert meist ein Zeitrelais automatisch dieUmschaltung von Stern auf Dreieck. Der Anlauf in Sternschaltung soll solangedauern, bis der Motor annähernd die Betriebsdrehzahl erreicht hat, um nachdem Umschalten auf Dreieck möglichst wenig Nachbeschleunigung leisten zumüssen. Die Nachbeschleunigung in Dreieckschaltung ist mit hohen Strömenwie bei Direktanlauf verbunden.Die zeitliche Dauer des Anlaufs inSternschaltung ist abhängig von der Belastung des Motors. In Dreieckschaltungliegt die volle Netzspannung an den Motorwicklungen.

Für die Umschaltung von Stern auf Dreieck sind die 6 Enden der Motorwick-lung auf Klemmen geführt. Die Schütze eines Stern-Dreieck-Starters schaltendie Wicklungen entsprechen um.

Für den Anlauf in Stern schliesst das Hauptschütz das Netz an dieWicklungsenden U1, V1, W1. Das Sternschütz verbindet die WicklungsendenU2, V2, W2. Nach erfolgtem Hochlauf schaltet das Sternschütz ab und dasDreieckschütz verbindet die Klemmen U1/V2, V1/W2, W1/U2.

Bei der Umschaltung von Stern auf Dreieck ist auf die richtige Phasenfolge, d.h.den richtigen Anschluss der Leiter an Motor und Starter zu achten. Bei falscherPhasenfolge können wegen des leichten Drehzahlabfalls während derstromlosen Umschaltpause beim Wiedereinschalten sehr hohe Stromspitzenentstehen, die die Motorwicklungen gefährden können und die Schaltgeräteunnötig beanspruchen. Dabei ist auf die Drehrichtung des Motors zu achten.

Starten von Motoren

1.3

Umschaltung von Stern auf Dreieck mit Schützen

Starten von Motoren

Zwischen dem Abschalten des Stern-Schützes und dem Einschalten desDreieck-Schützes muss eine genügend lange Pause liegen, um denAusschaltlichtbogen im Sternschütz sicher zu löschen, bevor das Dreieck-Schütz einschaltet. Bei zu rascher Umschaltung kann über denAusschaltlichtbogen ein Kurzschluss entstehen. Die Umschaltpause soll abergerade so lang sein wie für die Lichtbogenlöschung nötig, damit die Drehzahlwährend der Umschaltpause möglichst wenig abfällt. Spezielle Zeitrelais fürStern-Dreieck-Umschaltung erfüllen diese Anforderungen.

Motorschutz und Schütz-DimensionierungDas Motorschutzrelais wird in den Wicklungsstrang, d.h. an das Hauptschütz,geschaltet. Der einzustellende Strom ist deshalb um den Faktor 1/√

_3=0.58

kleiner als der Nennstrom des Motors. Wegen in den Motorwicklungenzirkulierenden Strömen der dritten Oberschwingung kann sich eine höhereEinstellung des Motorschutzrelais aufdrängen. Dies darf nur auf Basis einerMessung mit einem effektivwertrichtig messenden Messinstrument erfolgen.Die Leiterquerschnitte zum Motor und zurück sind thermisch gemässEinstellstrom am Motorschutzrelais zu dimensionieren.

Bei Motorschutz mit Leistungschaltern mit Motorschutzcharakteristik wird derLeistungsschalter in die Netzzuleitungen geschaltet, da er auch denKurzschlussschutz von Starter und Leitungen übernimmt. Die Stromeinstellungerfolgt in diesem Fall auf den Motornennstrom. Eine Einstellungskorrekturwegen der dritten Oberschwingung ist hier nicht relevant. Die Leitungen sindthermisch nach der Einstellung am Leistungsschalter zu dimensionieren.

Die Schaltgeräte sind beim normalen Stern-Dreieck-Anlauf nach folgendenStrömen zu dimensionieren:

• Hauptschütz K1M 0,58 Ie

• Dreieckschütz K2M 0,58 Ie

• Sternschütz K3M 0,34 Ie

Für längere Anlaufzeiten als etwa 15 Sekunden muss das Stern-Schütz grössergewählt werden. Wenn das Sternschütz gleich gross gewählt wird wie dasHauptschütz, sind Anlaufzeiten bis etwa 1 Minute zulässig.

1.4

Richtiger Anschluss des Motors

Starten von Motoren

1.5

1.1.2 Verstärkter Stern-Dreieck-AnlaufReicht das Drehmoment bei normalem Stern-Dreieck-Anlauf nicht aus, um denAntrieb in Sternschaltung auf annähernd Betriebsdrehzahl zu beschleunigen,kommt der verstärkte Stern-Dreieck-Anlauf zur Anwendung. Mit der Erhöhungdes Drehmomentes erhöht sich allerdings auch die Stromaufnahme beimAnlauf.Man unterscheidet zwischen:• gemischtem Stern-Dreieck-Anlauf• Teilwicklungs-Stern-Dreieck-AnlaufFür beide Arten sind Motoren mit entsprechenden Wicklungsanzapfungenerforderlich.

Für den Anschluss des Motors, die Ansteuerung der Schütze, den Motorschutzund die thermische Auslegung der Leiter gelten die gleichen Regeln wie für dennormalen Stern-Dreieck-Anlauf.

1.1.2.1 Gemischter Stern-Dreieck-AnlaufHier sind die Motorwicklungen meistens in zwei gleiche Hälften geteilt. BeimAnlauf werden je eine halbe Wicklung in Dreieck, die andere Hälfte vor diese inStern geschaltet. Daher die Bezeichnung "gemischt". Der Stern-Einschaltstromist ca. 2...4 Ie. Daraus resultiert ein entsprechend grösseres Anlauf-Drehmoment.

Dimensionierung der Schaltgeräte:

• Hauptschütz K1M 0,58 Ie

• Dreieckschütz K2M 0,58 Ie

• Sternschütz K3M 0,34 Ie

L1 L3L2

H

H

H

D

D

D

Y

Y

Y

V1

V3

V3

V2

W1

W3

W3

W2

U1

U3 U2U3

Gemischter Stern-Dreieck-Anlauf

Starten von Motoren

1.1.2.2 Teilwicklungs-Stern-Dreieck-AnlaufHier sind die Motorwicklungen ebenfalls unterteilt. In Sternschaltung wird nurdie Hauptwicklung, ein Teil der gesamten Wicklung, benützt. Daher dieBezeichnung "Teilwicklung". Der Stern-Einschaltstrom ist je nach Anzapfung2...4 Ie, woraus auch hier ein höheres Anzugsmoment resultiert.

Dimensionierung der Schaltgeräte:

• Hauptschütz K1M 0,58 Ie

• Dreieckschütz K2M 0,58 Ie

• Sternschütz K3M 0,5 - 0,58 Ie (je nach Anzugsstrom)

1.1.3 Unterbrechungsloser Stern-Dreieck-AnlaufMit dieser Schaltung wird das Abfallen der Motordrehzahl während derUmschaltung von Stern auf Dreieck vermieden und damit die folgendeStromspitze klein gehalten.Bevor das Sternschütz öffnet, schliesst ein viertes (Transitionsschütz) K4M denMotorstromkreis über Widerstände im Dreieck. Dadurch wird der Motorstromwährend der Umschaltung nicht unterbrochen und die Motordrehzahl bleibtpraktisch konstant. Das Dreieckschütz K2M stellt anschliessend denendgültigen Schaltzustand her und wirft das Transitionsschütz K4M ab.

1.6

L1 L3L2

H

HH

D

D

D

YY

Y

V1

V3

V3V2

W1

W3

W3

W2

U1U3

U2

U3

Teilwicklungs Stern-Dreieck-Anlauf

Dimensionierung der Schaltgeräte:

• Hauptschütz K1M 0,58 Ie

• Dreieckschütz K2M 0,58 Ie

• Sternschütz K3M 0,58 Ie

• Transitionsschütz K4M typ. 0,27 Ie (Je nach Transitionsstrom)• Transitionswiderstände typ. 0.35...0.4 Ue/Ie

Anders als bei der normalen Stern-Dreieck-Schaltung muss das Sternschützgleich dimensioniert werden wie das Haupt- und Dreieckschütz,weil es denSternstrom des Motors und der Transitionswiderstände abschalten muss. In denWiderständen fliesst ein Strom von ca. 1,5 Ie. Daher ist eine entsprechendhöhere Schaltleistung erforderlich.

Für den Anschluss des Motors, die Ansteuerung der Schütze (Schaltungunterschiedlich wegen Ansteuerung des Transitionsschützes), den Motorschutzund die thermische Auslegung der Leiter gelten die gleichen Regeln wie für dennormalen Stern-Dreieck-Anlauf.

Starten von Motoren

1.7

H+YA

H+DD

H+TC

H+Y+TB

Unterbrechungsloser Stern-Dreieck-Anlauf

Starten von Motoren

1.2 Autotransformator-AnlaufEin Autotransformator-Starter ermöglicht den Anlauf von Käfigläufermotorenmit reduziertem Anlaufstrom, indem die Spannung während des Anlaufsherabgesetzt wird. Im Gegensatz zur Stern-Dreieckschaltung werden nur dreiLeitungen zum Motor und 3 Motor-Anschlüsse benötigt. Diese Schaltung istbesonders im englischen Sprachraum verbreitet.

Beim Anlauf liegt der Motor an den Anzapfungen des Autotransformators. DerMotor läuft also mit reduzierter Spannung und entsprechend kleinerem Stroman. Der Autotransformator reduziert den Strom in der Netzzuleitung zusätzlichentsprechend seinem Übersetzungsverhältnis. Wie die Stern-Dreieck-Schaltungweist der Autotransformator-Starter somit ein günstiges Verhältnis vonDrehmoment zu Stromaufnahme auf.

Um die Motoranlauf-Charakteristik an den Drehmomentbedarf anpassen zukönnen, haben die Autotransformatoren meist drei wählbare Anzapfungen (z.B.80%, 65%, 50%).

Wenn der Motor nahezu seine Nenndrehzahl erreicht hat, wird amTransformator die Stern-Verbindung geöffnet. Jetzt wirken die Transformator-Teilwicklungen als Drosseln in Serie zu den Motorwicklungen und dieMotordrehzahl fällt deswegen wie beim unterbrechungslosen Stern-Dreieck-Anlauf während der Umschaltung nicht ab. Nach Zuschalten des Hauptschützesliegen die Motor-Wicklungen an der vollen Netzspannung. Zum Schluss wirdder Transformator vom Netz getrennt.

Der Einschaltstrom liegt je nach Anzapfung und Anlaufstromverhältnis desMotors bei 1 - 5 x Ie. Das verfügbare Drehmoment reduziert sich etwa imVerhältnis zum Anlaufstrom.

1.8

Autotransformator-Starter mit unterbrechungsloser Umschaltung(Korndörfer Schaltung)

1.3 Anlauf über Drosseln oder WiderständeDurch vorgeschaltete Drosseln oder Widerstände wird die Spannung am Motorund damit auch der Anlaufstrom reduziert. Das Anlaufdrehmoment reduziertsich mit dem Quadrat der Stromreduktion.

1.3.1. Anlauf über DrosselnIm Stillstand ist der Motorwiderstand klein. Ein Grossteil der Netzspannungfällt an den vorgeschalteten Drosseln ab. Das Anzugsdrehmoment des Motorsist deshalb stark reduziert. Mit steigender Drehzahl steigt die Spannung amMotor wegen des Rückganges der Stromaufnahme und der vektoriellenSpannungsaufteilung zwischen dem Motor und dem vorgeschaltetenBlindwiderstand. Damit steigt auch das Motormoment. Nach erfolgtemHochlauf werden die Drosseln kurzgeschlossen.

Der Einschaltstrom reduziert sich je nach benötigtem Anlauf-Drehmoment.

Starten von Motoren

1.9

Anlauf über Drosseln

Starten von Motoren

1.3.2. Anlauf über WiderständeAnstelle der oben beschriebenen Drosseln werden preisgünstigere Widerständeeingesetzt.

Mit dieser Methode kann der Anlaufstrom für den gleichen Drehmomentbedarfweniger reduziert werden, weil das Motormoment quadratisch mit derSpannung sinkt und die Spannung am Motor nur wegen der sinkendenStromaufnahme des Motors bei steigender Drehzahl zunimmt.

Besser ist es, den Vorwiderstand während des Anlaufes stufenweise zureduzieren. Der Aufwand an Schaltgeräten wird aber bedeutend grösser.

Eine andere Möglichkeit sind gekapselte Nass(Elektrolyt)widerstände. Beidiesen nimmt der ohmsche Widerstand mit der durch die Heizwirkung desAnlaufstroms zunehmenden Temperatur ab.

1.10

Anlauf über Widerstände

1.4 MehrstufenmotorenDie Anzahl der Pole bestimmt bei Asynchronmotoren die Drehzahl.

2 Pole = 3000 min–1 (Synchrondrehzahl)4 Pole = 1500 min–1

6 Pole = 1000 min–1

8 Pole = 750 min–1

etc.

Durch geeignete Umschaltung angezapfter Wicklungen oder durch getrennteWicklungen pro Drehzahl im gleichen Motor können Motoren mit zwei odermehr Drehzahlen gebaut werden. Besonders wirtschaftlich ist die häufigangewandte Dahlanderschaltung, welche mit nur einer Wicklung zweiDrehzahlen im Verhältnis 1:2 ermöglicht.

Mehrstufenmotoren können betriebsmässig in beiden Drehzahlen gefahrenwerden und finden so z.B. bei Ventilatoren Anwendung, um die Förderleistungzu ändern. Dies ist der hauptsächliche Anwendungsbereich.

Je nach Auslegung und Schaltung der Wicklungen gibt es Motoren mitannähernd gleicher Leistung oder mit annähernd gleichem Drehmoment bei denverschiedenen Drehzahlen. Bei gleichem Drehmoment ergeben sich kleinereStröme bei kleinerer Drehzahl, wodurch Anläufe mit hohem Momentbedarf beikleiner Stromaufnahme beherrscht werden können.

Starten von Motoren

1.11

Mehrstufenmotor

Starten von Motoren

2 Softstarter

2.1 AllgemeinesAbhängig von der Qualität des Netzes können schnelle Änderungen desVerbraucherstromes, wie dies bei einem Motoranlauf der Fall ist,Spannungseinbrüche verursachen, die vom gleichen Netz gespiesene Gerätebetreffen können:

• Helligkeitsschwankungen bei Beleuchtungen• Beeinflussung von Computeranlagen• Abfallen von Schützen und Relais

Durch die beim Starten entstehenden Drehmomentstösse werden diemechanischen Teile einer Maschine oder Anlage stark beansprucht.

Mit den traditionellen Lösungen wie

• Stern-Dreieckschaltung• Autotransformator• Drosseln oder Widerstände

kann die an den Motorklemmen liegende Spannung und somit der Strom nurstufenweise beeinflusst werden.

Der Softstarter (auch Sanftanlasser genannt) steuert die Spannung stufenlos voneinem wählbaren Anfangswert bis hundert Prozent. Dadurch erhöht sich dasDrehmoment und der Strom ebenfalls kontinuierlich. Der Softstarter ermöglichtalso ein stufenloses Anfahren von unter Last stehenden Motoren aus demStillstand.

2.1

Starten von Motoren

2.2 Realisation des Sanftanlaufes

Anhand einer Motormoment-Kennlinie kann erklärt werden, wie ein langsamesStarten eines Motors erreicht wird.Vergleicht man die Lastkennlinie mit der Motorkennlinie, wird ersichtlich, dassdie Motormoment-Kennlinie bis zum Schnittpunkt mit der Lastmoment-Kennlinie immer oberhalb derselben liegt.Bei diesem Arbeitspunkt wird bei Bemessungsbelastung die Bemessungs-drehzahl erreicht.Die Differenz zwischen der Lastmoment-Kennlinie und der Motormoment-Kennlinie ist das sogenannte Beschleunigungsmoment (MB). Dieses Momentbringt die Energie auf, die dafür sorgt, dass der Antrieb zu drehen beginnt undhochläuft.Das Verhältnis beider Kennlinien ist ein Mass für die Anlaufzeit oder Hochlauf-zeit eines Antriebes. Ist das Motormoment viel grösser als das Lastmoment, soist die Beschleunigungsenergie gross und somit die Hochlaufzeit entsprechendkurz. Ist dagegen das Motormoment nur wenig grösser als das benötigteLastmoment, ergibt das nur eine geringere Beschleunigungsenergie und somitwird die Hochlaufzeit entsprechend länger.Der Sanftanlauf wird also realisiert, indem man das Beschleunigungsmomentreduziert.

2.2

Motorkennlinien

Starten von Motoren

2.2.1 Reduzierung des Motormomentes

Die dargestellten Motorkennlinien gelten nur dann, wenn die volle Netz-spannung UN zur Verfügung steht. Sobald eine kleinere Spannung anliegt,verringert sich das Moment quadratisch. Wird die effektive Motorspannung um50% reduziert, so wird das Moment auf ein Viertel reduziert. Vergleicht man dieMomentkennlinien miteinander, dann sieht man, dass die Differenz zwischen derLastkennlinie und der Momentkennlinie bei Netzspannung viel grösser ist als beireduzierter Spannung. Das Motormoment und damit die Beschleunigungskraftlässt sich durch Anpassen der Motorspannung beeinflussen.

2.2.2 Beeinflussung der Motorspannung

Die Motorspannung lässt sich am einfachsten mit einer Phasenanschnitt-steuerung verändern. Mittels eines steuerbaren Halbleiters, dem Thyristor, ist es möglich, durchAnschneiden der Sinushalbwelle nur einen Teilbetrag der Spannung an denMotor weiterzuleiten. Der Zeitpunkt, von dem an der Thyristor die Sinus-halbwelle leitet, nennt man den Zündwinkel «Alpha». Ist der Winkel «Alpha»gross, so ist die eff. Motorspannung klein. Verschiebt man den Zündwinkel«Alpha» allmählich nach links, so wird die Motorspannung höher. Mit derentsprechenden Steuerung ist der Phasenanschnitt eine gute und einfacheMethode, um die Motorspannung zu verändern.

2.3

Momentkennlinien

Phasenanschnitt

Starten von Motoren

2.3 AnlaufartenGrundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, wie ein Motor mit einem Softstarteranlaufen kann. Dies sind der Anlauf mittels Spannungsrampe und der Anlaufmittels Strombegrenzung.

2.3.1 Anlauf mittels Spannungsrampe

Beim Anlauf mit Spannungsrampe wird die Anlauf- oder Hochlaufzeit und dasLosbrechmoment eingestellt.Der Softstarter erhöht die Motorklemmenspannung linear von einemvorzugebenden Anfangswert (Anfangsspannung) bis zur vollen Netzspannung.Die niedrige Motorspannung zu Beginn des Startprozesses hat ein niedrigeresMotordrehmoment zur Folge und bewirkt somit einen sanftenBeschleunigungsvorgang. Der einzustellende Anfangswert der Spannung wirdbestimmt durch das Losbrechmoment = Startmoment des Motors. Beim SMCDialog Plus besteht die Möglichkeit, zwischen zwei Softstartprofilen mit separateinstellbaren Rampenzeiten und Losbrechmomentwerten zu wählen.

Die Hochlaufzeit des Motors ergibt sich aus den Einstellungen der Hochlaufzeitund des Losbrechmoments. Wählt man das Losbrechmoment sehr gross oderdie Hochlaufzeit sehr klein, so ist man nahe beim Direktstart. In der Praxis wirdman zuerst die Hochlaufzeit festlegen (bei Pumpen ca. 10 sec.) und dann dasLosbrechmoment so einstellen, dass der gewünschte Softstart erreicht wird.

Die eingestellte Hochlaufzeit ist nicht die tatsächliche Hochlaufzeit desAntriebes, sie ist abhängig von der Last und der Einstellung desLosbrechmoments.

Bei einem Softstart mittels Spannungsrampe fängt der Strom bei einerbestimmten Höhe an, steigt dann bis zu einem Maximum und fällt beimErreichen der Bemessungsdrehzahl des Motors auf IN zurück. Der maximaleStrom kann nicht im voraus bestimmt werden, er wird sich je nach Motoreinstellen. Soll aber ein gewisser Strom nicht überschritten werden, so kann derAnlauf mittels Strombegrenzung gewählt werden.

2.4

Spannungsrampe

Starten von Motoren

2.3.2 Anlauf mittels Strombegrenzung

Der Strom steigt nach einer bestimmten Rampe bis zum eingestellten Maximuman und fällt beim Erreichen der Bemessungsdrehzahl des Motors auf IN zurück.Der Motor kann also nur einen bestimmten Anlaufstrom ziehen. DieseAnlaufmethode wird oft von den EWs gefordert, falls ein grosser Motor(Heubelüftung, Pumpen) ans öffentliche Netz angeschlossen werden soll.

2.3.3 Momente

In dieser Graphik sind die verschiedenen Motormomente beim Direktstart, beimSoftstart mit Spannungsrampe und mit Strombegrenzung dargestellt.

2.4 Softstarter-TypenDie Unterschiede der verschiedenen Softstarter-Typen liegen vor allem imAufbau des Leistungsteils und der Steuerungscharakteristik.

Wie schon erwähnt, basiert der Softstarter auf dem Prinzip des Phasen-anschnittes. Mittels Thyristoren ist es möglich, durch Anschneiden derSinushalbwelle nur einen Teil der Netzspannung dem Motor zuzuführen.

Der Thyristor lässt den Stromfluss nur in einer Richtung zu. Daher ist einzweiter, entgegengesetzt gepolter Halbleiter nötig, welcher den negativen Stromleitet (antiparallel geschaltete Halbleiter).

2.5

Stromkurven beim Hochlauf

Momentkurven

Starten von Motoren

Man unterscheidet die Softstarter nach folgenden zwei Kriterien:

1. Anzahl der gesteuerten Phasen.

Eine Phase (einphasen gesteuerte Softstarter), zwei Phasen (zweiphasengesteuerte Softstarter) oder drei Phasen (dreiphasen gesteuerte Softstarter).

2. Art des zweiten, entgegengesetzt gepolten Halbleiters.

Wählt man eine Diode, dann spricht man von einem halbwellen gesteuertenSoftstarter.Wählt man einen Thyristor, so spricht man von einem vollwellen gesteuertenSoftstarter.

Wie die verschiedenen Typen auf verschiedene Weise Motorspannung undStrom beeinflussen, lässt sich anhand der folgenden drei Prinzipschaltbildererklären.

2.4.1 Einphasen vollwellengesteuerter Softstarter

Beim einphasengesteuerten Softstarter wird in einer Phase mittels zweiantiparallelen Thyristoren der Phasenanschnitt verwirklicht (Phase L2). DiePhasen L1 und L3 sind direkt am Motor angeschlossen.

Beim Anlauf fliesst in der Phase L1 und L3 immer noch ungefähr der 6-facheBemessungsstrom des Motors. Nur in der gesteuerten Phase ist es möglich, denStrom bis auf den 3-fachen Bemessungsstrom zu reduzieren.

2.6

L1 L3L2

F1

Softstarter

Einphasenansteuerung

Starten von Motoren

Vergleicht man diese Methode mit einem Direktstart, dann ist die Hochlaufzeitlänger, aber der gesamte eff. Motorstrom ist nicht erheblich reduziert. Dies hatzur Folge, dass ungefähr der gleiche Strom wie beim Direktstart durch denMotor fliesst. Dadurch wird der Motor zusätzlich erwärmt. Weil nur eine Phaseangeschnitten ist, wird das Netz während der Anlaufphase asymmetrischbelastet. Diese Methode entspricht der klassischen KUSA-Schaltung.

Ein- und zweiphasen gesteuerte Softstarter werden meistens im Leistungs-bereich bis max. 5,5 kW eingesetzt. Sie sind nur geeignet, um mechanischeSchläge in einem System zu vermeiden. Der Anlaufstrom des Drehstrommotorswird mit dieser Methode nicht vermindert.

2.4.2 Dreiphasen halbwellengesteuerter Softstarter

Beim dreiphasen halbwellengesteuerten Softstarter ist der Phasenanschnitt inallen drei Phasen verwirklicht. Als Leistungshalbleiter wird ein Thyristor miteiner antiparallelen Diode verwendet. Dies hat zur Folge, dass der Phasen-anschnitt nur in einer Halbwelle verwirklicht wird (halbwellengesteuert). Somitwird nur während der Halbwelle, wenn der Thyristor leitend ist, die Spannungreduziert. Bei der zweiten Halbwelle, wenn die Diode leitend ist, liegt die volleNetzspannung am Motor an.

In der ungesteuerten Halbwelle (Diode) sind die Stromspitzen grösser als in dergesteuerten. Die damit verbundenen Oberschwingungen erzeugen im Motorzusätzliche Erwärmung.

Da die Stromspitzen in der nicht gesteuerten Halbwelle (Diode) und die damitverbundenen Oberwellen bei grossen Leistungen kritisch werden, sindhalbwellengesteuerte Softstarter nur bis ca. 45 kW sinnvoll einsetzbar.

2.7

L1 L3L2

F1

Softstarter

Halbwellenansteuerung

Starten von Motoren

2.4.3 Dreiphasen vollwellengesteuerter Softstarter

Bei diesem Typ Softstarter wird in allen drei Phasen der Phasenanschnittverwirklicht. Als Leistungshalbleiter verwendet man zwei antiparallele Thyri-storen. Somit wird in beiden Halbwellen die Phasenspannung angeschnitten(vollwellengesteuert). Wegen den beim Phasenanschnitt entstehendenOberwellen wird der Motor beim Softstart trotzdem thermisch mehr belastet alsbeim Direktstart.

Dreiphasen vollwellengesteuerte Softstarter werden bis ca. 630 kW eingesetzt.

2.5 Thermische Belastung beim Start

In dieser Graphik ist der Einfluss der verschiedenen Softstartertypen auf diezusätzliche Motorerwärmung gegenüber einem Direktstart dargestellt.

2.8

Mot

orer

wär

mun

g

Motorstartzeit

1 polig

2 polig

halbwellen

vollwellen

4

3

2

11 2 3 4 5 6

Vollwellenansteuerung

Motorerwärmung

L1 L3L2

F1

Softstarter

Starten von Motoren

Der Punkt 1/1 markiert die Erwärmung des Motors nach dem Direktstart. In derX-Achse ist der Multiplikationsfaktor der Startzeit und in der Y-Achse derMultiplikationsfaktor der Motorerwärmung dargestellt. Verlängert man z.B. dieStartzeit gegenüber dem Direktstart auf das Doppelte, so wird

• Beim einphasen gesteuerten Softstarter die Motorerwärmung auf das 1,75-fache erhöht

• Beim zweiphasen gesteuerten Softstarter auf das 1,3-fache erhöht• Beim halbwellen gesteuerten Softstarter auf das 1,1-fache erhöht• Beim vollwellen gesteuerten Softstarter kann man praktisch keine

zusätzliche Erwärmung feststellen.

Für längere Hochlaufzeiten ist bei grösseren Leistungen nur ein vollwellen-gesteuerter Softstarter einsetzbar.

2.6 Softstarter Vorteile• Durch das langsame Starten schont der Softstarter Motor und Maschine.• Der Anlaufstrom wird reduziert oder kann begrenzt werden.• Das Drehmoment wird der entsprechenden Last angepasst.• Bei Pumpen können Druckwellen beim Start und beim Stop verhindert

werden.• Ruck- und stossartige Bewegungen, welche einen Prozess stören können,

werden verhindert.• Der Verschleiss an Riemen, Ketten, Getrieben und Lager wird vermindert.• Mit den verschiedenen Ansteuermöglichkeiten ist eine vereinfachte

Automatisierung möglich.

2.7 Kundennutzen2.7.1 MechanischDer Motor entwickelt bei Direktanlauf ein sehr hohes Anzugsmoment. Typischsind Anzugsmomente von 150 bis 300% des Nennmoments. Je nach Anlaufartkann durch das hohe Anzugsmoment die Mechanik des Antriebs übermässigbeansprucht werden («Mechanischer Stress») , oder der Fabrikationsprozesswird durch ruckartige Drehmomentstösse unnötigerweise gestört.

• Durch den Einsatz eines Softstarters werden die auftretendenDrehmomentstösse auf die mechanischen Teile einer Maschine vermieden.

• Anlaufcharakteristik kann der Anwendung angepasst werden (z. B.Pumpensteuerung).

• Einfache Leitungsführung zum Motor (nur 3 Leiter).

2.9

Starten von Motoren

2.7.2 ElektrischDas Starten von Drehstrommotoren verursacht im Netz grosse Stromstösse (6 - 7-fachen Nennstrom). Folglich können grosse Spannungseinbrücheverursacht werden, die andere am Netz angeschlossene Verbraucher stören.Elektrizitätswerke setzen daher Grenzwerte für Motoranlaufströme fest.

• Mit einem Softstarter ist es möglich, den Motoranlaufstrom zu begrenzen,solange kein hohes Anlaufmoment erforderlich ist.

• Dadurch werden die Netzbelastungen reduziert.• Eventuelle Reduktion der Netzanschlussgebühren.• In vielen Fällen wird aber eine Begrenzung des Anlaufstromes vom EW

gefordert, man erfüllt also die entsprechenden Vorschriften.

2.8 EinsatzmöglichkeitenTypische Anwendungen sind:

• Laufkräne, Förderbänder, Fahrantriebe• Rührwerke, Mühlen, Brecher• Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren• Antriebe mit Getrieben, Kette, Riemen, Kupplungen

Pumpen:Mit einer speziellen Pumpensteuerung ist es möglich, die Druckstösse, die beimStarten und Stoppen einer Pumpe entstehen, zu eliminieren.

Kompressoren:Bei Kompressoren kann beim Umschalten von Stern auf Dreieck die Drehzahlzusammenfallen. Mit einem Softstarter erreicht man einen kontinuierlichenAnlauf, Drehzahleinbrüche treten nicht mehr auf.

Einphasen-Motoren:Will man einen Einphasen-Motor mit einem Softstarter betreiben, so benötigtman einen einphasenvollwellen Softstarter.

Generell:Der Softstarter ist aus wirtschaftlichen Gründen ein Ersatz für Stern-Dreieck-Schaltungen in Antrieben mit grösserer Leistung. Vor allem bei Anwendungenmit belasteten Anläufen (Last kann nicht nach dem Hochlaufen zugeschaltetwerden) ist ein Softstarter der Stern-Dreieck-Schaltung vorzuziehen.

2.10

Starten von Motoren

2.9 Starten von Pumpen2.9.1 Strom- und Momentverlauf bei einem Stern-Dreieck-Start

In der Graphik sind die Moment- und Stromkennlinien beim Stern- und beimDreieck-Start in Abhängigkeit zur Drehzahl dargestellt. In dieser Anwendung istein Stern-Dreieck-Start ungeeignet, da kein unbelasteter Anlauf vorliegt.Während dem Umschalten von Stern auf Dreieck fällt der Strom auf Null unddie Drehzahl nimmt je nach Applikation ab. Das Umschalten auf Dreieckbewirkt danach einen sprunghaften Anstieg des Stromes. Bei schwachen Netzenentstehen dadurch Spannungseinbrüche.

Das Motormoment springt beim Umschalten auf Dreieck ebenfalls auf einenhohen Wert, was den gesamten Antrieb mechanisch belastet. Werden Pumpen mitStern-Dreieck betrieben, so wird meistens ein mech. Schieber eingesetzt.

2.11

Stromkurven Stern-Dreieck

Starten von Motoren

2.9.2 Drehzahlverlauf bei einem Start mit Pumpensoftstarter

Mit dem Softstarter mit Pumpenmodul wird der Motor nicht linear beschleunigt,die Drehzahländerung verläuft S-kurvenförmig. Durch das langsame Starten,das schnelle Beschleunigen und das verzögerte Erreichen der Nenndrehzahl,wird ein optimaler Pumpenstart gewährleistet. Das Stoppen einer Pumpe stellt hohe Ansprüche an einen Softstarter. DiePumpe muss so verzögert werden, dass keine Druckwellen ausgelöst werden.Der Softstarter muss die Belastung und die Drehzahl des Motors kennen undseine Parameter entsprechend anpassen, damit das gewünschte Ziel erreichtwerden kann.

2.9.3 Vergleich der Momentkurven

Bei dieser Graphik werden die Momentkennlinien der verschiedenen Start-verfahren dargestellt. Die Kurve beim Softstarter mit Pumpenmodul ist parallelzur Pumpenkennlinie, somit wird ein konstantes Beschleunigungsmomenterreicht.

2.12

Drehzahlverlauf Pumpensoftstarter

Momentkurven

Starten von Motoren

2.9.4 Strömungsverlauf beim Starten

Bei dieser Graphik wird der Strömungsverlauf beim Starten der verschiedenenStartverfahren dargestellt. Beim Direktstart wird die Flüssigkeit sehr schnell beschleunigt. Werden 100%des Flüssigkeits-Durchsatzes erreicht, so entsteht eine grosse Beschleunigungs-änderung. Dadurch werden Druckwellen ausgelöst, welche erhebliche Schädenan der Anlage verursachen können.Beim konventiellen Softstarter ist die Beschleunigungsänderung wesentlichkleiner und somit sind auch die Auswirkungen kleiner. Nur beim Softstarter mit speziellem Pumpenmodul ist die Beschleunigungs-änderung so gering, dass keine Druckwellen ausgelöst werden.

2.9.5 Strömungsverlauf beim Stoppen

Bei dieser Graphik wird der Strömungsverlauf beim Stoppen der verschiedenenStopverfahren dargestellt.

2.13

Strömungsverlauf beim Starten

Strömungsverlauf beim Stoppen

Starten von Motoren

Beim Auslaufen bleibt die Pumpe sofort stehen. Dies bedeutet, dass die gesamteWassersäule auf die Rückschlagklappe fällt. Dadurch wird die Anlagemechanisch stärker belastet als beim Direktstart. Der konventionelle Softstop ist für eine Pumpenanwendung ungeeignet, da dieStrömungsgeschwindigkeit nur bis zu einem gewissen Grad verzögert wird undder gleiche Effekt wie beim «Auslaufen» entsteht.Ein optimales Abbremsen des Flusses kann nur mit einem «geregelten»Pumpenstop erreicht werden. Wie beim Starten ist es beim Stoppen fast nochwichtiger, dass keine Druckwellen entstehen. Der Softstarter muss langsambeginnen den Fluss zu verzögern, die Verzögerung erhöhen und gegen denSchluss wieder verringern, so dass er wieder lansam auf Null gebremst wird.

2.9.6 Anforderungen an einen Softstarter für PumpenBei allen Anlagen sind die Höhenunterschiede und Leitungslängen verschieden,darum reicht es nicht aus, die Pumpenkennlinien softwaremässig zu hinterlegen.Der Softstarter muss sich an die verschiedenen Verhältnisse bei Anwendungenmit Pumpen anpassen, nur dadurch kann ein optimales Starten und Stoppengewährleistet werden.

2.9.7 AnwendungsgebieteDie Softstarter mit dem Pumpenmodul werden mittlerweile in vielen Bereicheneingesetzt, um hier nur einige zu nennen:

• Wasserversorgung • Bergbau• Kläranlagen • Abfüllanlagen• Brauereien / Molkereien • Papierherstellung• Fernwärmeversorgungen • Holzverarbeitungen• Schwimmbäder • HLK- Technik• Getränke- und Lebensmittelproduktion• Chemie- und Petrochemieanlagen

2.10 OptionenFür die Softstarter werden verschiedene Optionen angeboten:

• Softstop• Pumpensteuerung• Kriechdrehzahl• Intelligente Bremse• Akku Stop• Kriechdrehzahl mit Bremse

Diese Optionen sind im Allen-Bradley Produktekatalog näher beschrieben.

2.14

Starten von Motoren

3 Frequenzumrichter

3.1 AllgemeinesDie Industrie benötigt immer höhere Produktionsgeschwindigkeiten und laufendwerden bessere Methoden für noch effektivere Produktionsanlagen entwickelt.Die Elektromotoren sind wesentliche Elemente dieser Anlagen. Daher wurdenverschiedene Methoden für die Änderung der festen Drehzahl von Drehstrom-Asynchron-Motoren entwickelt, wobei die meisten mit erheblichen Leistungs-verlusten oder grossen Investitionen verbunden sind. Mit der Entwicklung derFrequenzumrichter lassen sich Drehstrommotoren mit variabler Geschwindig-keit vorteilhaft einsetzen.Ein Frequenzumrichter ist ein elektronisches Gerät, das die Drehzahl vonDrehstrommotoren durch die Umformung der Frequenz und Spannung invariable Grössen steuert. Dadurch kann der Motor ein hohes Drehmoment beiallen Drehzahlen liefern.

3.2 Aufbau

Der Frequenzumrichter kann in drei Hauptbestandteile unterteilt werden.

Gleichrichter:Der Gleichrichter wird an das Drehstromnetz angeschlossen und erzeugt einepulsierende Gleichspannung.

Zwischenkreis:Der Zwischenkreis speichert und glättet die pulsierende Gleichspannung.

Wechselrichter:Der Wechselrichter erzeugt aus der Gleichspannung wieder ein Drehstromnetzmit der gewünschten Frequenz und Spannung. An diesen Ausgang wird derMotor angeschlossen.

Steuerkreis:Die Elektronik im Steuerkreis kann Signale an den Gleichrichter, Zwischenkreisund an den Wechselrichter abgeben und empfangen. Die Signale werden imgeräteinternen Mikroprozessor generiert und ausgewertet.

3.1

Prinzipieller Aufbau

Starten von Motoren

3.2.1 Netzgleichrichter

Der Netzgleichrichter besteht aus einer Brückenschaltung, die das speisendeNetz gleichrichtet. Die sich daraus ergebende Gleichspannung entspricht immerdem Spitzenwert der angeschlossenen Netzspannung (Ue x √

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Der wesentliche Unterschied zwischen einer einphasigen und einer dreiphasigenBrückenschaltung ist die entstehende pulsierende Gleichspannung. In der Praxisbevorzugt man aus Kostengründen die einphasige Version für Antriebe mitkleiner Leistung (bis ca. 2,2 kW). Für grössere Leistungen ist diese Version ausfolgenden Gründen nicht geeignet:

Die einphasige Brücke ist eine unsymmetrische Belastung für das Netz.Die Welligkeit der Gleichspannung ist wesentlich grösser als bei derdreiphasigen Ausführung. Darum muss auch die Kapazität des Zwischenkreisesgrösser dimensioniert werden.

Der Gleichrichter des Frequenzumrichters besteht entweder aus Dioden oderThyristoren. Ein aus Dioden bestehender Gleichrichter nennt man ungesteuert,ein aus Thyristoren ist steuerbar. Die Brücke aus Dioden wird bis Motoren-Leistungen von ca. 22 kW eingesetzt.

3.2.1.1 Prinzipielle Darstellung der pulsierenden Gleichspannungen

3.2

Netzgleichrichter

Netzgleichrichter

Starten von Motoren

3.2.2 Zwischenkreis

Der Zwischenkreis kann als Speicher betrachtet werden, aus dem der Motorüber den Wechselrichter seine Energie bezieht. Der ZwischenkreiskondensatorC puffert die netzseitige Energie, was eine hohe Kapazität erfordert. Der amFrequenzumrichter angeschlossene Motor entnimmt dem ZwischenkreisEnergie, der Kondensator wird dabei teilweise entladen. Die Aufladung desKondensators kann nur dann erfolgen, wenn die Netzspannung höher als dieZwischenkreisspannung ist. Die Energie wird somit vom Netz zugeführt, wenndie Netzspannung nahe dem Maximum ist. Dadurch ergeben sich Stromspitzen,die sich bei mehreren parallelgeschalteten Frequenzumrichtern addieren. Darumwird bei grösseren Leistungen (ab ca. 5,5 kW) eine Zwischenkreisdrosselinstalliert. Diese Drossel sorgt dafür, dass die Stromflussdauer auf der Netzseiteverzögert und damit die Stromspitzen reduziert werden.

3.2.3 Wechselrichter

Der Wechselrichter ist das letzte Glied im Frequenzumrichter vor dem Motor.(Bei Mehrmotorenantrieb ist ein zusätzlicher Schutz vor dem Motor not-wendig.) Er wandelt den Gleichstrom in ein Drehstromnetz mit veränderlicherFrequenz und Spannung um. Als Leistungshalbleiter kommen verschiedene

3.3

DC-Zwischenkreis

IGBT-Wechselrichter

Starten von Motoren

Halbleiter zum Einsatz: GTO (Gate Turn Off Thyristor, FET (Feldeffekt-transistor), IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor). Die modernen Frequenz-umrichter sind meistens mit IGBT ausgerüstet. Die neuen Generationen dieserHalbleiter gehen bis zu Leistungen von ca. 350 kW.

Wie macht man nun aus einem Gleichspannungsnetz ein in Spannung undFrequenz veränderliches Drehstromnetz? Die Bauelemente des Wechselrichtersarbeiten als Schalter (gesteuert vom Mikroprozessor) und schalten entsprechendder Frequenz positive und negative Spannung an die Motorwicklung. DieVeränderung der Frequenz und Spannung erfolgt bei den meisten Frequenz-umrichtern mit der Pulsweiten-Modulation PWM.

3.2.3.1 Prinzipielle Darstellung der Pulsweiten-Modulation

3.3 Betriebsverhalten3.3.1 Frequenz-Spannungs-Verhältnis

Beim direkten Anschluss des Motors an das Versorgungsnetz bestehen idealeBetriebsverhältnisse für den Motor. Der Frequenzumrichter gewährleistet, durchVerändern der Spannung, eine gute Annäherung an diese Betriebsverhältnisse.

3.4

Pulsweiten-Modulation

U-f-Kennlinie

Starten von Motoren

Als Standard gilt eine lineare U-f-Kennlinie von 0 bis 50 Hz resp. 400 V. Wennman mit der Frequenz höher als 50 Hz geht, wird die Spannung nicht mehrerhöht (Netzspannung). Der Motor kann dann nicht mehr die Nennleistungerbringen und somit nicht mehr voll belastet werden.

Damit die Eckfrequenz (normalerweise 50 Hz) höher gesetzt werden kann,muss der Motor anders ausgelegt werden. Ein normiertes Verhältnis ist: 230V - 50 Hz und 380 V - 87 Hz. Der Motor kann so bis 87 Hz mit Nennlastbetrieben werden.

3.3.2 Spannungsanhebung oder Boost

Das lineare U-f-Verhältnis ist bei kleiner Frequenz (< 5 Hz) sehr schlecht. DerMotor entwickelt fast kein Moment mehr, so dass er bei niedrigen Drehzahlenstehen bleibt. Um dem zu begegnen, muss bei niedrigen Drehzahlen eineSpannungsanhebung oder «Boost» eingestellt werden. Dazu stehen demAnwender je nach Frequenzumrichter mehrere Möglichkeiten zur Verfügung:

Auto-Boost:Die Spannungsanhebung wird von der Software des Frequenzumrichtersbestimmt. Dieser Boost deckt den grössten Teil der Anwendungen ab.

3.5

U-f-Kennlinie

Spannungsanhebung

Starten von Motoren

DC-Boost:Der U-f-Kennlinie wird eine fixe Spannung überlagert. Mit dieser Einstellungkann das maximale Drehmoment im Motor erzeugt werden. Es ist aber daraufzu achten, dass dabei der Motorstrom relativ hoch wird.

3.3.3 Schlupfkompensierung

Wird ein Asynchronmotor belastet, so nimmt seine Drehzahl ab, der Schlupfwird grösser. Ist eine solche Drehzahlverminderung nicht erwünscht, so bietetder Frequenzumrichter eine sogenannte Schlupfkompensation an. D.h. derFrequenzumrichter erhöht die Ausgangsfrequenz automatisch, so dass dieDrehzahl nicht verringert wird. Diese Kompensation ermöglicht eine Drehzahl-genauigkeit von normalerweise ca. 0,5 %.

3.3.4 SollwertDie Höhe des Sollwertes bestimmt die Ausgangsfrequenz und damit dieDrehzahl des angeschlossenen Motors. Der Sollwert kann auf verschiedeneWeise dem Frequenzumrichter zugeführt werden:

• mit einem Potentiometer (typisch 10 kOhm)• mit einem Analogsignal (0...10V oder 4...20 mA)• über eine serielle Schnittstelle• über einen Feldbus

Es ist auch möglich im Frequenzumrichter verschiedene Festfrequenzen zuprogrammieren und diese über Eingänge nach Bedarf zu aktivieren.

3.3.5 KompensationIm Motorkreis fliessen nach wie vor Blind- und Wirkstrom. Der Blindstrompendelt jedoch zwischen der Zwischenkreiskapazität und der Motorinduktivitäthin und her und belastet daher das Netz nicht. Von der Netzseite werden nur dieWirkleistung, die Verluste des Antriebes und die Verluste des Frequenzum-richters bezogen. Der cos ϕ des Netzstromes ist demzufolge nahezu 1. In denmeisten Fällen kann eine Kompensation des Antriebes entfallen.

3.6

Schlupfkompensation

Starten von Motoren

3.3.6 MotorschutzDie Frequenzumrichter haben üblicherweise einen integrierten elektronischenMotorschutz. Ein zusätzlicher Schutz ist normalerweise nicht mehr erforderlich.Bei speziellen Anwendungen, z.B. 1 Frequenzumrichter speist mehrereMotoren, ist ein zusätzlicher Motorschutz angebracht. Es gilt allerdings zubeachten, dass der Motor auch mit niedrigen Drehzahlen betrieben werdenkann. Weil bei Standardmotoren der Lüfter auf der Welle montiert ist, ist eineoptimale Kühlung des Motors nicht mehr gewährleistet. In diesem Fall sollteein Fremdlüfter installiert werden. Um den Schutz auch bei niedrigenDrehzahlen zu gewährleisten, müssen Temperaturfühler, z.B. Thermistoren(PTC), in die Motorwicklungen eingelegt werden.

3.3.7 Drehrichtungswechsel und BremsenWeil das Drehfeld beim Frequenzumrichter elektronisch gebildet wird, genügtein Steuerbefehl um die Drehrichtung zu wechseln.Wird die Frequenz bei laufendem Motor reduziert, so dreht der Rotor schnellerals das Drehfeld. Der Motor läuft im sogenannten übersynchronen Betrieb undwirkt als Generator. Es wird also Energie vom Motor in den Frequenzumrichterzurückgespeist, wo sie wieder im Zwischenkreis gespeichert wird. Hier kannnur beschränkt Energie abgeführt werden, so dass die überschüssige Energie zueinem Spannungsanstieg führt. Übersteigt die Spannung einen gewissen Wert,so schaltet der Frequenzumrichter ab. Um dies zu verhindern, muss die Energieabgeführt werden. Dies kann auf verschiedene Arten geschehen.

Brems-Chopper:Über einen Widerstand wird mittels Elektronik die Energie vernichtet.

Rückführung:Mittels eines separaten Wechselrichters wird die Energie ins Netzzurückgespiesen.

3.7

Brems-Chopper

Starten von Motoren

Gleichstrombus:Die Zwischenkreise von mehreren Frequenzum-richter werden zusammen-geschaltet. Somit wird die Bremsenergie von anderen Motoren für den Betriebgenutzt.

3.4 Frequenzumrichter VorteileEnergieeinsparung:Energie wird gespart, wenn der Motor mit einer Drehzahl entsprechend demaugenblicklichen Bedarf läuft. Dies gilt speziell für Pumpen und Ventilatoren.Geringe Stromaufnahme auch bei niedriger Drehzahl und hohem Moment.

Prozessoptimierung:Die Anpassung der Geschwindigkeit an den Produktionsprozess ergibt mehrereVorteile wie effiziente Produktion und optimale Ausnutzung der Anlagen. DieGeschwindigkeit kann optimal an die äusseren Bedingungen angepasst werden.

Schonender Motorbetrieb:Die Zahl der Starts und Stopps vermindert sich. Es wird somit eine unnötigharte Belastung der Maschinenteile vermieden.

Geringer Wartungsaufwand:Frequenzumrichter benötigen keine Wartung.

Verbessertes Arbeitsumfeld:Die Geschwindigkeit eines Förderbandes kann der Arbeitsgeschwindigkeitangepasst werden. Durch ein langsames Starten und Stoppen wird verhindert,dass die Produkte auf dem Band umkippen.

3.5 Radiofrequente Störungen3.5.1 AllgemeinesJeder Strom und jede Spannung, die von der reinen Sinusform abweichen,beinhalten Oberwellen. Die Frequenz dieser Oberwellen sind von der Steilheitdes Stom- oder Spannungsverlaufes abhängig.

Wenn z.B. ein Kontakt geschlossen wird, so steigt der Strom plötzlich (sehrsteil) von Null auf den Nennstrom an. In einem Radio ist dies evtl. als Knacken-geräusch wahrnehmbar. Ein einzelner Geräuschimpuls wir nicht als störendempfunden. Weil die Leistungshalbleiter eines Frequenzumrichters als«Kontakte» funktionieren, senden diese Geräte radiofrequente Störspannungenaus. Durch die relativ hohe Schaltfrequenz (2 - ca. 8 kHz) werden andereelektronische Apparate beeinflusst.

3.8

Starten von Motoren

Radiostörungen (RFI: Radio Frequncy Interferens) werden als Schwingungenmit Frequenzen zwi-schen 150 kHz - 30 MHz definiert. Sie werden leitungs-oder strahlungsgebunden verbreitet. Die stärke der Störungen ist vonverschiedenen Faktoren abhängig:

• Den Impedanzverhältnissen im Versorgungsnetz• Der Schaltfrequenz des Wechselrichters• Der Frequenz der Ausgangsspannung• Dem mechanischen Aufbau des Frequenzumrichter

3.5.2 Normen

In verschiedenen Ländern gibt es Normen dafür, wieviel Radiostörungen einGerät senden darf. Betrachtet man die verschiedenen Normen, so sieht man,dass die meisten etwa dasselbe bedeuten. Grundsätzlich werden aber immerzwei Niveaus festgelegt: Die Kurve für industrielle Ausführungen (EN 50081-2)und jene für gewerbliche Zwecke (EN 50081-1).

3.9

Norm RFI

Starten von Motoren

3.5.3 MassnahmenGrundsätzlich werden die Radiostörungen durch Abstrahlung oder über dieLeitungen gesendet. Die Massnahmen sind aber nur Wirkungsvoll, wenn dieInstallationsvorschriften eingehalte werden. Auf die grossflächigen Anschlüsseder Erdung ist besonders gut zu achten. Frequenzumrichter und Filter sollten aufder gleichen leitenden Montageplatte befestigt werden.

Abstrahlung:Wird der Frequenzumrichter in ein geerdetes Metallgehäuse eingebaut, so sindbezüglich der Abstrahlung keine Probleme zu erwarten.

Zuleitung zum Frequenzumrichter:Die strengsten Normen können nur eingehalten werden, wenn RFI-Filter einge-setzt werden. Eine eingebaute Zwischenkreisdrossel kann aber schon genügen,so dass auf ein Filter verzichtet werden kann.

Motorkabel:Im Motorkabel lassen sich Radiostörungen auch mit RFI-Filter begrenzen. Die Filter werden aber relativ gross und haben grosse Verlustleistungen. Es istdeshalb üblich, Radiostörungen im Motorkabel durch eine Schirmung zubegrenzen.

3.10

Starten von Motoren

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Motor, Antrieb

4 Vergleich der Anlassverfahren

Publikation WP Start, DE, Januar 1998

Leistungsgeräte Leistungsschütze und MotorstarterMotorschutzMotor-Control-CenterLeistungsüberwachungSteuer- und LastschalterRelais

Sensorik End-, Photoelektrik- und NäherungsschalterDruck- und TemperatursensorenIdentifikationssysteme (HF)Strichcode-LesesystemeEncoderBildverarbeitungssysteme

Bediengeräte Befehls- und MeldegeräteText- und LCD-AnzeigenBedienkonsolenIndustrierechnerVisualisierungs-Software

Antriebstechnik SanftanlaufgeräteFrequenzumrichterGleich- und WechselspannungsantriebeAchsensteuerungen und ServoantriebeCNC-Steuerungen

Automatisierung Programmierbare SteuerungenDigital- und Analog-E / AIntelligente Peripheriebaugruppen

Kommunikation Netzwerke und FeldbussystemeOffene Kommunikationsnetzwerke (MAP)

Systemlösungen Kundenspezifische EntwicklungenProzess- / Batch-SteuerungenBrennersteuerungenSpritzgiess- und Pressen-SteuerungenSCADA

Qualitätssicherung Statistische Datenerfassung und Analyse

Dienstleistungen Weltweiter Service und SupportKundenschulungReparatur und Ersatzteil-ServiceTechnische Beratung

Mehr als 500`000 Möglichkeiten, um Ihr Automatisierungssystem zu verbessern

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